马约拉纳费米子 首先，我们从基本概念开始。在粒子物理中，费米子（如电子、质子）通常有与其对应的反粒子（如正电子、反质子），它们所带的电荷等量子数相反。一个粒子和它的反粒子是不同的。 但在1937年，物理学家埃托雷·马约拉纳提出了一个理论上的可能性：可能存在一类特殊的费米子，它自身的反粒子就是它自己。这种粒子被称为马约拉纳费米子。 然而，在基本粒子物理的标准模型中，我们已知的中微子可能是马约拉纳费米子的候选者，但这尚未被实验证实。我们今天讨论的重点，是凝聚态物理中的“马约拉纳准粒子”。 为了更好地理解，我们需要进入凝聚态物理的框架。在凝聚态系统中，复杂的多体相互作用会产生集体激发，这些激发可以用“准粒子”来描述，它们的行为类似于基本粒子。例如，半导体中的“空穴”就是一种准粒子。 现在，关键的一步是引入“超导”概念。在常规超导体中，电子两两结合成库珀对，导致电阻消失。描述这些超导准粒子激发的理论由波戈留波夫等人发展，其核心是将电子和空穴的算符进行线性组合，形成新的准粒子算符。 在这种数学变换下，会存在一种特殊的解：这个新准粒子算符等于其自身的厄米共轭。这意味着，创造这样一个准粒子的操作与湮灭它的操作在数学上是等价的——这正对应了“准粒子是其自身的反粒子”的马约拉纳特性。因此，在超导体中可能出现的这种集体激发，就叫作马约拉纳准粒子或马约拉纳费米子模。 那么，它在什么具体的物理系统中实现呢？一个著名的理论方案是“拓扑超导体”。设想一个具有强自旋-轨道耦合的一维半导体纳米线，将其放置在普通超导体附近，并在垂直于纳米线的方向施加磁场。在特定的参数（如磁场强度、化学势）调控下，这个混合系统可以进入拓扑超导相。 在这个拓扑超导相的边界（对于一维系统就是两端），会产生受到拓扑保护的局域态。对这个态进行数学描述，你会发现它正好满足马约拉纳条件。因此，在纳米线的两端会各出现一个马约拉纳零能模。它们是非阿贝尔任意子的一个特例。 最后，我们探讨其重要性。马约拉纳零能模的拓扑保护特性，使得它对局部的微小扰动不敏感，这为构建容错拓扑量子计算机提供了潜在的物理载体。对它的实验探测（例如通过电导的零偏压峰）是当前凝聚态物理前沿的热点领域。